4.地下能源储存和废物处置库安全服役行为研究

4.1 注入CO2提高天然气采收率(CO2-EGR) 的THM耦合模拟研究

通过建立多层2D模型，考虑三种不同的原始应力状态（拉伸、压缩等应力），模拟了生产(30年)、CO2-EGR（5年）和CO2封存（10年）全过程，对盖岩及储层在注入CO2提高天然气采收率过程中应力应变的变化进行了研究。通过在在耦合软件TOUGH-FLAC中植入EOS7C状态方程模块(EOS Module)，考虑了两相三组分二氧化碳-水-天然气系统的复杂热力学性质，研究了CO2在气田中的迁移情况。研究结果表明，通过5年的CO2注射，天然气采收率提高了1.4%。增大注入和生产井的距离可以进一步提高采收率。在整个过程中盖层的密闭性没有遭到破坏。TOUGH-FLAC的计算结果与莱比锡环境研究中心的OpenGeoSys的计算结果进行了对比，结果吻合。在此基础上，将EOS7C模块植入到并行模拟软件TOUGH2-MP中，极大的提高了计算效率，并利用与Altmark现场历史拟合的3维计算模型，对计划注入的现场试验（2年10万吨）进行了模拟研究。

左图: CO2质量百分数变化(2D模型)   右图: 注入点不同原始应力状态的应力路径

左图: CO2质量百分数变化(Altmark 3D模型)， 右图: 观测井和生产井的CO2突破曲线（BTC）

图52 计算结果图

4.2 致密气岩层水力压裂过程中的三维裂缝时空演化规律的三维仿真研究

为了实现水力压裂的模拟，在FLAC3D中植入裂隙单元，通过改进的本构模型模拟裂隙在正应力和剪应力作用下的张开和闭合。同时植入裂隙流和物质传输计算，模拟压裂液和支撑剂在裂隙中的流动。并以拉伸破坏准则描述开裂。改进后的FLAC3D三维仿真裂缝时空演化有以下优势。

Ø 能考虑三维应力的作用影响,

Ø 能考虑真实的地质构造模型,

Ø 模拟出的裂缝具有不规则的几何形状（FracPro中，裂缝由两个假想的半椭圆构成），

Ø 裂缝不规则的前端很好的反应了地层的物理性质及其所受的应力状态，

Ø 在横剖面上裂缝的宽度不再是规则的抛物线分布，

Ø 裂缝扩展会引起周围岩石应力的重新分布，通过对该应力场的分析，能就每段水力压裂对周围环境的影响作出进一步的评价（比如地表沉降，应力方向改变对后续水力压裂的影响等）。

图左: 多段水力压裂模拟结果图，图右: 水力压裂三维裂缝仿真图（裂缝真实宽度仅0.1mm至30多mm, 图中放大了1000倍）

图53  三维模拟图

 应用上述新数值仿真技术优化了德国致密气田水平井多段水力压裂技术并成功应用于德国北部两大致密气田（图1）。分析表明: 水平井优于垂直井, 横向裂缝优于纵向裂缝因此应沿最小水平地应力方向布水平井, 单个计算模型可模拟水平井的全部多段水力压裂裂缝的三维时空演化。

4.3 深部地热开发过程中大规模水力压裂引发地震的机理、预测和控制技术研究

通过自身开发的模拟水力压裂程序以及动力学计算，基于历史拟合压裂过程中测量的井压（图54），模拟了在德国GeneSys深部地热工程大规模（约 20000m3）注水导致的微地震时空分布（图55左）、机理、最大震级（maxML<0.3）和灾害评价（图55右），并认为由于震级小和上覆厚盐层的强衰减作用在地表将无法测到任何微地震信号。上述预测后来基本得到了验证。进一步的研究结果表明: 采用先进的水平井和多段水力压裂技术，既能优化地热的采集，又能降低水力压裂引起的地震灾害。该结论还需通过实际工程验证。

图54 历史拟合压裂过程中测量的井压

图左: 微地震云图计算结果(Genesys)，图右: 计算Gutenberg-Richter公式中的b值

图 55 计算结果图

4.4 基于随钻测量数据的井壁稳定评价方法与程序开发

 由于井壁的不稳定导致的损失占钻井的大部分费用。所以随钻进行井壁稳定性评价并计算出合适的钻井液密度对于安全钻井非常重要。通过随钻测量（LWD）可以得到声波时差，自然电位，伽马射线等信息。通过对这些信息的分析可得到岩石的力学性质，空隙压力等重要信息。利用这些信息通过自我开发的计算机程序（REDMW）可以实时随钻的计算合适的安全钻井液密度区间。下图展示了开发的程序和计算的安全钻井液压力区间。

 对于深部钻井，热应力对于井壁稳定性影响很大，进而影响安全钻井液密度区间的确定。程序REDMW可有效计算井下岩石温度随时间的变化并能确定热应力的大小，从而计算在热应力影响下的安全钻井液密度区间。下图展示了程序REDMW热效应影响下的井空周围的应力分布以及合适的钻井液密度。

图56程序计算界面和安全钻井液压力区间展示

左图：热效应下的孔口周围应力分布   右图：热效应下的最小钻井液密度

图57 热效应下的井空周围的应力分布以及合适的钻井液密度

4.5 高杂质盐岩力学和渗透特性的试验研究及盐岩储库区地表最大变形预计新方法研究

以中国盐岩储库长期稳定性和密闭性为背景，结合中国盐岩高杂质、薄盐层、多夹层的特点，研究杂质及夹层对盐岩力学和渗透特性的影响，同时发展适合于中国盐岩地层特点的储库区地表沉降预测方法。研究认为，我国代表性的层状盐岩是一种典型的软岩，具有良好的延性，与国外的高纯度盐岩的基本变形特征相似，利用Hou氏短期强度模型可以较好地描述层状盐岩的峰值强度和扩容强度。盐岩的损伤和破坏的各向异性对渗透率的影响很大。对于三轴压缩实验，裂缝和损伤的方向与渗透方向一致，渗透率增加2～6个量级。而对于三轴拉伸实验，渗透率的增加较小，最大仅2个量级；同时，沉降研究表明当单腔发生完全收敛时椭圆形腔体造成的地面沉降量最小，圆柱形最大，而库群对比计算结果表明腔体中心间距的增加将导致最优腔形的变化，并非椭圆形腔体始终最优。

图58 峰值和扩容强度的试验结果与计算（Hou氏短期强度模型）结果对比

图59 三轴拉伸和压缩荷载下裂纹产生、发展及时空演化示意图

图60 用于研究地表沉降变形的地下储库模型